(57)【要約】  放電加工機と組み合わせて表面処理に利用される電極は、５〜１８重量％のアルミニウムよりなる粉末又は５〜４０重量％の鉄族金属よりなる粉末と、実質的に残部である水素化チタン又は０重量％を越えて３０重量％以下の炭化チタンを含む水素化チタンよりなる粉末と、より本質的になる混合粉末であって、前記混合粉末が成形および焼結によって前記放電加工機に電極として組み込まれるべく寸法づけられた構造に形成された成形体である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電加工機と組み合わせて表面処理に利用される電極であって、
混合粉末であって、
前記混合粉末の全体に対して５〜１８重量％のアルミニウムよりなる粉末又は前記混合粉末の全体に対して５〜４０重量％のニッケル、コバルト、鉄よりなる群より選択された何れかの金属よりなる粉末と、
水素化チタンよりなる粉末と、
を含み、
前記混合粉末が成形および焼結によって前記放電加工機に電極として組み込まれるべく寸法づけられた構造に形成されている、
電極。
【請求項２】
請求項１の電極において、前記混合粉末の全体に対して０重量％を越えて３０重量％以下の炭化チタンをさらに含む。
【請求項３】
請求項２の電極において、前記水素化チタンよりなる粉末は前記混合粉末の残部である。
【請求項４】
放電加工機と組み合わせて表面処理に利用される電極を製造する方法であって、
混合粉末を得るべく、前記混合粉末の全体に対して５〜１８重量％のアルミニウムよりなる粉末又は前記混合粉末の全体に対して５〜４０重量％のニッケル、コバルト、鉄よりなる群より選択された何れかの金属よりなる粉末を、水素化チタンよりなる粉末と混合し、
前記混合粉末を成形および焼結して前記放電加工機に電極として組み込まれるべく寸法づけられた構造に形成する、
ことよりなる方法。
【請求項５】
請求項４の方法において、前記混合粉末は、前記混合粉末の全体に対して０重量％を越えて３０重量％以下の炭化チタンをさらに含む。
【請求項６】
請求項５の方法において、前記水素化チタンよりなる粉末は前記混合粉末の残部である。
【請求項７】
対象物を放電加工機によって表面処理する方法であって、
混合粉末を得るべく、前記混合粉末の全体に対して５〜１８重量％のアルミニウムよりなる粉末又は前記混合粉末の全体に対して５〜４０重量％のニッケル、コバルト、鉄よりなる群より選択された何れかの金属よりなる粉末を、実質的に残部であり、水素化チタン又は前記混合粉末の全体に対して０重量％を越えて３０重量％以下の炭化チタンを含む水素化チタンよりなる粉末と混合し、
成形体を得るべく、前記混合粉末を成形および焼結して前記放電加工機に電極として組み込まれるべく寸法づけられた構造に形成し、
前記成形体を前記放電加工機に電極として組み込み、
油中において前記成形体を前記対象物に近接せしめて放電を生ぜしめて前記対象物に皮膜を生ぜしめる、
ことよりなる方法。
【請求項８】
請求項７の方法において、前記混合粉末は、前記混合粉末の全体に対して０重量％を越えて３０重量％以下の炭化チタンをさらに含む。
【請求項９】
請求項８の方法において、前記水素化チタンよりなる粉末は前記混合粉末の残部である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電を利用して対象物に皮膜を形成するための電極及びその製造方法、及びこれを利用した皮膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
油中や大気中等において対象物に非消耗性の電極を近接せしめ、その間に放電を生じせることにより、対象物を加工することができる。かかる技術は、一般に放電加工と呼ばれており、精密で複雑な形状の加工が可能であることが知られている。一定の条件下、例えば非消耗性の電極に代えて圧粉体等の消耗性の電極が利用される等の条件下では、対象物が加工される代わりに電極の損耗が優先して起こる。この時、電極の素材ないしその反応物は、対象物上において電極に対向した領域を被覆するので、以って対象物の表面処理が可能である。かかる技術は、しばしば放電表面処理と呼称されている。【０００３】
放電表面処理を、鉱物油のごとき炭化水素を含む液体中で実行すると、しばしば電極より放出された物質と炭素とが反応を起こし、炭化物よりなる皮膜を形成しうる。炭化物の中でも炭化チタンは非常に硬いので、かかる皮膜は種々の工業的用途の観点から有望である。関連する技術が国際公開公報WO０１／００５５４５号に開示されている。
【発明の概要】
【０００４】
放電表面処理によれば、２０〜３０μｍ程度の厚さの炭化チタン皮膜を成功裡に形成することができる。本発明者らは、更なる特性の向上を図るべく、より厚い炭化チタン皮膜の成長を試みたところ、かかる厚さを越える炭化チタン皮膜の形成は困難であることが判明した。本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、炭化チタンを含み、より厚い皮膜を放電表面処理により形成する方法およびその為の電極を提供することである。
【０００５】
本発明の第１の局面によれば、放電加工機と組み合わせて表面処理に利用される電極は、  混合粉末であって、前記混合粉末の全体に対して５〜１８重量％のアルミニウムよりなる粉末又は前記混合粉末の全体に対して５〜４０重量％のニッケル、コバルト、鉄よりなる群より選択された何れかの金属よりなる粉末と、水素化チタンよりなる粉末と、を含み、前記混合粉末が成形および焼結によって前記放電加工機に電極として組み込まれるべく寸法づけられた構造に形成されている。
【０００６】
本発明の第２の局面によれば、放電加工機と組み合わせて表面処理に利用される電極を製造する方法は、混合粉末を得るべく、前記混合粉末の全体に対して５〜１８重量％のアルミニウムよりなる粉末又は前記混合粉末の全体に対して５〜４０重量％のニッケル、コバルト、鉄よりなる群より選択された何れかの金属よりなる粉末を、水素化チタンよりなる粉末と混合し、前記混合粉末を成形および焼結して前記放電加工機に電極として組み込まれるべく寸法づけられた構造に形成することよりなる。
【０００７】
本発明の第３の局面によれば、対象物を放電加工機によって表面処理する方法は、混合粉末を得るべく、前記混合粉末の全体に対して５〜１８重量％のアルミニウムよりなる粉末又は前記混合粉末の全体に対して５〜４０重量％のニッケル、コバルト、鉄よりなる群より選択された何れかの金属よりなる粉末を、実質的に残部であり、水素化チタン又は前記混合粉末の全体に対して０重量％を越えて３０重量％以下の炭化チタンを含む水素化チタンよりなる粉末と混合し、成形体を得るべく、前記混合粉末を成形および焼結して前記放電加工機に電極として組み込まれるべく寸法づけられた構造に形成し、前記成形体を前記放電加工機に電極として組み込み、油中において前記成形体を前記対象物に近接せしめて放電を生ぜしめて前記対象物に皮膜を生ぜしめることよりなる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による電極の微細構造の模式図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による放電表面処理に利用される放電加工機の模式図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による電極の製造に利用される混合器の模式図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態による電極の製造工程の一段階であって、焼結の段階を示す模式図である。
【図５】図５は、放電加工機に印加する電圧および電流のプロファイルの一例である。
【図６】図６は、放電表面処理の対象物の一例であって、タービン動翼の立面図である。
【図７】図７は、放電表面処理による皮膜の微細構造の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１０】
放電表面処理には、放電により徐々に損耗する性質を有する消耗性の電極を利用する。消耗性の電極の素材としては、導電性物質を含む粉末が好適である。かかる粉末は、その全体が何れかの導電性物質であってもよく、あるいは導電性物質の粉末と、他の物質、例えば適宜のセラミックの粉末との混合粉末であってもよい。また導電性物質の粉末として、２種以上の導電性物質の粉末の混合粉末を適用してもよい。
【００１１】
導電性物質として水素化チタン（ＴｉＨ２）を選択し、鉱物油のごとき炭化水素を含む液体中で放電表面処理すると、前述のごとく炭化チタンを含む皮膜が得られる。本発明者らによる検討によれば、皮膜を２０〜３０μｍ程度を超える厚さに成長させるべく重ねて放電を印加すると、皮膜成長速度は極端に小さくなることが観察される。さらに重ねて放電を印加すると、皮膜の成長はほとんど認められなくなる。かかる現象の原因は必ずしも明らかではないが、皮膜が厚くなると放電による皮膜の成長のみならず損耗が同時に起こるようになり、両者が拮抗することによると、本発明者らは推定している。そこで皮膜の損耗を防止する添加物を予め電極に含ませておけば、より厚い炭化チタンを含む皮膜の成長が可能となると推定される。
【００１２】
図１（ａ）を参照するに、本実施形態においては、水素化チタンの粉末１１と、アルミニウムの粉末１３との混合粉末を利用して電極を製造する。水素化チタンは放電表面処理の結果、炭化チタンを生成して皮膜中に取り込まれ、皮膜に硬質性を付与する。アルミニウムは放電表面処理の結果、皮膜中に取り込まれ、皮膜に変形能を付与する。並行してアルミニウムは水酸化チタンを部分的にチタンに変え、チタンは皮膜中に取り込まれて皮膜にさらに変形能を付与する。硬質だが変形能を欠く皮膜は、放電表面処理の過程で生ずる局所的な熱衝撃に対して脆弱になり易く、従って成長に伴い損耗を起こし易くなる。一方、アルミニウムにより変形能を付与された皮膜は熱衝撃に耐え得るので、より厚く成長することが可能となる。
【００１３】
アルミニウムの粉末の添加量は、多いほうがより大きな変形能が得られるので、混合粉末の全体に対して０重量％を越え、好ましくは５重量％以上であり、さらに好ましくは１０重量％以上である。また焼結後の電極の損耗性を確保する観点からは、アルミニウムの粉末の添加量は過大でないほうが有利であり、それゆえ混合粉末の全体に対して３０重量％未満であり、好ましくは１８重量％以下であり、さらに好ましくは１５重量％以下である。
【００１４】
あるいは、アルミニウムの粉末１３に代えて、またはこれに加えて、鉄族金属の粉末１５が混合されていてもよい。鉄族金属は、周知の定義に従い、ニッケル、コバルト、鉄の何れかである。ニッケル、コバルト、鉄は、単独でもよく、あるいはこれらの混合物でもよい。またこれらの合金であってもよい。これらの鉄族金属は、アルミニウムと同様に皮膜に変形能を付与して、皮膜のより厚い成長に寄与する。
【００１５】
鉄族金属の粉末の添加量は、多いほうがより大きな変形能が得られるので、混合粉末の全体に対して０重量％を越え、好ましくは５重量％以上であり、さらに好ましくは１０重量％以上である。また焼結後の電極の損耗性を確保する観点からは、鉄族金属の粉末の添加量は過大でないほうが有利であり、それゆえ混合粉末の全体に対して６０重量％未満であり、好ましくは４０重量％以下である。
【００１６】
またこれらに加えて、図１（ｂ）に示すごとく炭化チタンの粉末１７が混合されていてもよい。混合される場合には混合粉末の全体に対して０重量％を超え、電極の十分な導電性を確保する観点から３０重量％以下が好ましい。不可避的不純物を除き、これらの粉末以外の残部にいかなる成分が含まれることも本質的に排除されるが、本発明の基礎的および新規な性質に実質的に影響しない成分が含まれることは許容される。
【００１７】
上述の各粉末の粒径は、特に限定されるものでないが、例えば１０μｍ以下であり、好ましくは３μｍ以下である。
【００１８】
各粉末は、適宜の混合器を利用して混合される。図３はそのような混合器の一例であって、一般にＶブレンダと称されるものである。Ｖブレンダ１９は、Ｖ字形に接合された一対の中空の円筒体よりなり、図中に一点鎖線で示した軸の周りに、適宜のモータにより回転する。回転により、円筒体中の粉末に離合する力と集散する力を交互に加えつつ、粉末を撹拌するので、均一な混合に適している。もちろん、他の適宜の混合器を利用してもよい。
【００１９】
水素化チタンの粉末１１と、アルミニウムの粉末１３（あるいは、これに代えて、またはこれに加えて、鉄族金属の粉末１５）と、場合により添加される炭化チタンの粉末１７とは、上述の組成に調製された後、Ｖ字形円筒体中に収められる。そして適宜のモータによりＶ字形円筒体が回転することにより、粉末は均一に混合されて、混合粉末Ｍが得られる。
【００２０】
好ましくは、混合粉末Ｍはホットプレスに付される。図４に示されるごとく、ホットプレス装置は金型２１を備え、金型２１は、側方を支持するダイ２７と、両端を支持するパンチ２９，３１と、よりなる。ダイ２７およびパンチ２９，３１により囲まれた空間は、成形された粉末が放電加工機の電極に適合した形状を有するようになるべく寸法づけられている。あるいは、電極とは異なる形状で成形しておき、焼結後に仕上げ加工を行なうことにより電極形状を得てもよい。混合粉末Ｍは、ダイ２７およびパンチ２９，３１により囲まれた空間に充填される。ダイ２７は固定的状態に置かれるがパンチ２９，３１はそれぞれ可動であって、それぞれラム２３，２５により駆動され、以って金型２１中の混合粉末Ｍは加圧される。ホットプレス装置は、さらにヒータ３５を備えた真空炉３３を備え、混合粉末Ｍは加圧された状態で加熱され、以って成形および焼結が実行される。かかる工程により得られた成形体は、放電加工機の電極として組み込まれるべく寸法づけられた構造を有し、かつ適度に消耗性を有するので、放電表面処理に適する。
【００２１】
ホットプレスに代えて、熱間静水圧成形（ＨＩＰ）を行ってもよい。あるいは、適宜の成形の後に真空炉中で焼結を行ってもよい。成形のために、射出成形や泥漿を利用してもよい。
【００２２】
上述の成形体を、図２に示すごとく放電加工機に電極１として組み込む。放電加工機の加工槽３に鉱物油のごとき適宜の油５を満たし、対象物７とともに電極１を油５中に没する。次いで電極１を対象物７に近接せしめ、外部の電源より間歇的に電力を印加してその間に放電を発生させ、放電表面処理を実行する。
【００２３】
外部の電源から印加される電圧および電流のプロファイルは、例えば図５のようである。当初、電圧値ｕｉの電圧Ｖが印加されるが、ごく短い時間ｔｄの間は放電が起こらず、従って電流Ｉは０である。次いで放電が生じると電圧Ｖは急減して電圧値ｕｅとなり、その間、急増した電流値Ｉｓの電流が流れた後、定常値Ｉｅの電流が流れ、時間ｔｅだけ放電が継続する。適宜の制御により時間ｔｉの間、電力の印加が停止され、その後同じ工程が繰り返されることにより、間歇的な放電が実現する。一例として、ｔｅは８μｓ、ｔｉは６４μｓであるが、必ずしもこれに限られない。また一例として、Ｉｓは３０Ａ、Ｉｅは１０Ａ未満であり、電圧は数十Ｖの程度であるが、必ずしもこれに限られない。
【００２４】
上述の放電表面処理は、例えば図６に示したタービン動翼３７の端部３７ａに炭化チタン皮膜９を成長させることに適用しうる。タービン動翼３７は、これを囲むタービンシュラウドに対して激しく擦動する。摩耗からタービン動翼３７を保護するために、炭化チタンのごとき硬質の皮膜を必要とし、且つ長期間の使用に耐えるために比較的に厚い皮膜が必要である。従って本実施形態を適用するに好適である。
【００２５】
図７は、本実施形態による皮膜９の微細構造を模式的に表したものである。皮膜９は、アルミニウム（または鉄族金属）よりなる金属相９ｍを母相として、炭化チタン相９ｈが分散した構造を有する。金属相９ｍが皮膜に変形能を付与するために、放電表面処理の過程で生ずる局所的な熱衝撃に耐えて、相対的に厚い皮膜の成長が可能である。また炭化チタン相９ｈは皮膜に硬質性を付与するので、皮膜９は長時間の稼動に耐えることができる。
【００２６】
（実施例）
本実施形態による効果を検証するため、以下の試験を行った。
【００２７】
水素化チタンの粉末に、それぞれ１，５，１０，１５，１８，２０重量％のアルミニウム粉末を混合し、上述の方法により成形および焼結を行って、それぞれ４×１０ｍｍの角柱状電極を得た。それぞれ模擬的な金属ワークに対して油中で繰り返し放電を発生させ、電極の送り量２ｍｍで放電表面処理を行った。得られた皮膜の膜厚とマイクロビッカース硬さを測定した。結果を表１に示す。
【表１】
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【００２８】
表１より明らかなように、アルミニウム粉末の混合比が５重量％以上では、従来の方法では得られなかった膜厚（６０μｍ以上）が得られる。さらに何れの範囲においても、得られる皮膜はＨｖ１３００以上の硬さを有している。
【００２９】
水素化チタンの粉末に、それぞれ１，５，１０，２０，４０，５０重量％のニッケル（カルボニルニッケル）粉末を混合し、上述の方法により成形および焼結を行って、それぞれ４×１０ｍｍの角柱状電極を得た。それぞれ模擬的な金属ワークに対して油中で繰り返し放電を発生させ、電極の送り量２ｍｍで放電表面処理を行った。得られた皮膜の膜厚とマイクロビッカース硬さを測定した。結果を表２に示す。
【表２】
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【００３０】
表２より明らかなように、ニッケル粉末の混合比が５重量％以上の何れの範囲においても、従来の方法では得られなかった膜厚（５５μｍ以上）が得られる。さらに４０重量％以下の何れの範囲においても、得られる皮膜はＨｖ１３００以上の硬さを有している。
【００３１】
水素化チタンの粉末に、それぞれ１，５，１０，２０，４０，５０重量％のコバルト粉末を混合し、上述の方法により成形および焼結を行って、それぞれ４×１０ｍｍの角柱状電極を得た。それぞれ模擬的な金属ワークに対して油中で繰り返し放電を発生させ、電極の送り量２ｍｍで放電表面処理を行った。得られた皮膜の膜厚とマイクロビッカース硬さを測定した。結果を表３に示す。
【表３】
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【００３２】
表３より明らかなように、コバルト粉末の混合比が５重量％以上の何れの範囲においても、従来の方法では得られなかった膜厚（４５μｍ以上）が得られる。さらに４０重量％以下の何れの範囲においても、得られる皮膜はＨｖ１３００以上の硬さを有している。
【００３３】
詳細なデータは省略するが、鉄の粉末によってもニッケル粉末やコバルト粉末と同様な結果が得られる。また炭化チタンをさらに加えた場合でも同様な結果が得られる。
【００３４】
すなわち、対象物を放電加工機によって表面処理する方法において、適宜のアルミニウムまたは鉄族金属よりなる粉末を水素化チタンよりなる粉末と混合し、混合粉末を成形および焼結して電極として放電加工機に組み込み、油中において放電表面処理を行えば、十分な厚さと硬さを有する皮膜を得ることができる。厚さと硬さが十分であることにより、長寿命な皮膜が期待できる。
【００３５】
好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
炭化チタンを含み、十分な厚さの皮膜を放電表面処理により形成する方法およびその為の電極が提供される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
2011027825.tif 000013
2011027825.tif 000014
2011027825.tif 000015
2011027825.tif 000016